Искусственные калиевые каналы нового типа лучше имитируют каналы электрических угрей

Биологические калиевые каналы обеспечивают селективную проницаемость для более крупных ионов K⁺ (ионный радиус 1.3 Å) по сравнению с меньшими ионами Na⁺ (1.0 Å) с коэффициентом селективности более 1000. Учёные десятилетиями пытались воспроизвести эти структуры в искусственных системах, но не могли приблизиться к исключительной избирательности природных белковых каналов. Обычно коэффициент селективности K⁺/Na⁺ существующих искусственных калиевых каналов составляет менее 40.

Изучив атомную структуру 12-Å-длинного четырёхкратно симметричного трубчатого селективного фильтра биологического калиевого канала KcsA, исследователи обнаружили, что исключительная селективность K⁺/Na⁺ возникает благодаря четырём периодическим слоям карбонильных колец, которые служат центрами связывания ионов калия. Важно отметить, что два соседних карбонильных кольца не строго перекрываются. Вместо этого наблюдается поворот почти на 27 градусов из-за диэдральных углов аминокислот.

Исследование опубликовано в журнале National Science Review.

Долго игнорируемая структурная особенность — вращающиеся карбонильные кольца — лежит в основе сверхвысокой селективности K⁺/Na⁺, но никогда ранее не использовалась при создании искусственных калиевых каналов.

Следуя этому принципу, исследователи создали ангстремные поры в двухслойных листах графена и расположили на краях пор скрученные кольца карбонильных групп. Искусственный ионный канал может эффективно подавлять транспорт нежелательных ионов Na⁺ с динамическим коэффициентом селективности K⁺/Na⁺ до 1295. Скорость проводимости K⁺ достигает 3.5×10⁷ ионов/с, что составляет почти 40% от показателя биологических калиевых каналов.

Атомные траектории событий проникновения K⁺ раскрывают механизм транспорта двух ионов: каждое успешное прохождение K⁺ должно включать как минимум два иона калия.

Высвобождение K⁺ из выхода нанопоры двухслойного графена происходит посредством мягкого "выталкивающего" механизма другим ионом K⁺ у входа — ранее такой механизм наблюдался только в биологических ионных каналах. Это синергетическое поведение облегчается одной или двумя молекулами гидратной воды между слоями графена, формируя так называемые триплеты K-nH₂O-K.

Помимо углубления понимания принципов работы биологических систем, высокоселективные искусственные калиевые каналы открывают новые возможности. В качестве демонстрации исследователи предложили новый способ получения ионной энергии путём смешивания электролитных растворов одинаковой концентрации через ангстремные поры в двухслойном графене. Теоретически такое биомиметическое устройство достигает очень высокой плотности мощности — более 1200 Вт/м² — при пористости графеновых листов менее 1%.

Важно, что генерация осмотической энергии на основе селективности по калию (PoPee-OPG) лучше имитирует методы преобразования энергии в электроцитах электрических угрей. Во-первых, PoPee-OPG может работать с растворами одинаковой общей ионной силы. Это контрастирует с обязательным использованием разбавленных растворов в существующей генерации энергии за счёт градиента солёности (SGPG), что ограничивает её эффективность.

Во-вторых, стоит отметить, что в жидкостях тела электрических угрей фактически нет явной низкоконцентрированной части из-за баланса осмотического давления по обе стороны клеточной мембраны. Значительное улучшение PoPee-OPG эквивалентно сильному снижению внутреннего сопротивления ионного источника питания, что позволяет достичь высокой выходной мощности. С этой точки зрения PoPee-OPG представляет собой усовершенствованную имитацию преобразования энергии электрического угря.

Хотя на данном этапе работа носит теоретический характер, уникальная структура пор и принципы работы, описанные в статье, могут стать ориентиром для создания высокоселективных мембран из, например, слоистых графеновых материалов или компонентов двухслойных ковалентно-органических каркасов. В целом, биомиметический дизайн переносит исключительные возможности природных белков в созданные человеком устройства и предоставляет основу для различных применений в очистке воды, химическом разделении, ионных батареях и других областях.